M2 Bottom-Up-Synthese: Keimbildung und Wachstum (LaMer-Modell)

Thema

Bei dieser Bottom-up-Synthese steigt die Konzentration des gelösten Vorläufers, sobald dieser in Lösung entsteht oder freigesetzt wird, kontinuierlich an, bis sie die LaMer-Schwelle überschreitet. Erst dann ist die Lösung ausreichend übersättigt, um eine explosive Nukleationsreaktion auszulösen, bei der nahezu gleichzeitig eine große Anzahl neuer Nanopartikelkerne entsteht. Da die Vorläuferkonzentration langsamer bis zur LaMer-Schwelle ansteigt, ist die resultierende Übersättigung nach deren Überschreitung geringer, und folglich entstehen durch diese explosive Nukleation weniger neue Kerne.

Da diese explosive Nukleation nahezu augenblicklich eine große Menge des gelösten Vorläufers verbraucht, sinkt die Vorläuferkonzentration ebenso schnell wieder unter die LaMer-Schwelle. Sobald die Vorläuferkonzentration unter diese Schwelle fällt, entstehen keine neuen Kerne mehr, und der anschließend weiterhin entstehende oder freigesetzte Vorläufer lagert sich stattdessen auf die bereits durch diese explosive Nukleation entstandenen Kerne ab, wodurch diese diffusionskontrolliert wachsen. Die Tatsache, dass die Vorläuferkonzentration nach dem Ausbruch während der gesamten Bottom-up-Synthese unterhalb der LaMer-Schwelle bleibt, verhindert eine weitere explosive Nukleation.

Daher ist in diesem Modell mit seiner explosiven Nukleation und dem diffusionskontrollierten Wachstum die zeitliche Trennung der beiden Phasen der Schlüssel zur Gewinnung monodisperser Nanopartikel: Da alle Nukleationskeime bei der explosiven Nukleation nahezu gleichzeitig entstehen, haben sie alle annähernd gleich viel Zeit, während des anschließenden diffusionskontrollierten Wachstums zu wachsen. Dieses diffusionskontrollierte Wachstum begünstigt naturgemäß auch die kleineren Nukleationskeime, wodurch diese etwas schneller wachsen als die größeren. Dies führt zu einer Größenfokussierung, die die resultierende Größenverteilung weiter verengt. Die Tatsache, dass diese zeitliche Trennung zwischen explosiver Nukleation und diffusionskontrolliertem Wachstum entscheidend für diese Monodispersität ist, stellt dieses Modell in direkten Gegensatz zu einem anderen Modell dieser Gruppe, dem der Ostwald-Reifung. Dieser Prozess zerstört im Gegensatz dazu die Monodispersität, wenn er über das diffusionskontrollierte Wachstum hinaus fortgesetzt wird.

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